20世紀初聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾，西班牙神經學家的，出名為他的分支的精美附圖中，腦和脊髓的樹狀細胞。1906年，他因這項工作而獲得了諾貝爾獎，這使世界首次瞭解了這些神經元的結構，並暗示了它們在動物中樞神經系統中的排列方式。
一個世紀後的今天，Cajal的遺產正在蓬勃發展-現代顯微鏡技術，重型機器人技術和一臺機器學習的助力。現在的目標是創建連接體。這些是整個大腦中所有神經元的三維圖，以及這些神經元如何鏈接在一起。本週，發佈了邁向完整的大腦連接組的重要一步：一張大約四分之一的果蠅大腦容量的地圖。
該地圖被製圖人員稱為蒼蠅的半腦（器官中心約25,000個神經元的集合），至今已有十多年的歷史了。它是生物學家格里·魯賓（Gerry Rubin）的創意，他還負責繪製果蠅的基因組圖，作為人類基因組計劃的原理證明。魯賓博士現在是弗吉尼亞珍妮莉亞研究園區的負責人，該校隸屬於霍華德·休斯醫學研究所，專門研究神經科學。半腦連接體是校園Fly em項目的第一階段，用於繪製果蠅的整個大腦，其中包含大約100,000個神經元。與人類大腦中的850億甚至小鼠大腦中的7000億相比，這是海洋的下降。但是，就像蒼蠅在人類基因組計劃中的角色一樣，這將是原理的證明。
飛得很高
偏腦的每個神經元通過稱為突觸的連接點與數百個其他神經元相連，總共超過20m個突觸。這些神經元和突觸形成迴路，這些迴路負責蒼蠅學習，導航，睡眠並告知一天中的時間的能力。到目前為止，唯一建立的完整連接體是線蟲秀麗隱杆線蟲，線蟲在其神經系統中具有302或385個神經元，具體取決於雌雄同體還是雄性（沒有純粹的女性秀麗隱杆線蟲）。秀麗隱杆線蟲之間的神經元之間有大約7,000個突觸。因此，繪製出蒼蠅半腦是向前邁出的一大步。
闡明秀麗隱杆線蟲的連接體涉及卡哈爾本人會認識到的技術。研究人員使用鑽石刀將蠕蟲切成薄片，將切片染色以更清楚地顯示其中的細胞，然後對結果進行電子顯微鏡拍攝。識別由此獲得的數千幅圖像中的神經元和突觸是專業人眼的任務。
魯賓博士和他的工作人員已經自動化了。例如，校園中的一個團隊已經開發出一種方法來加快操作的切片和成像部分。這項技術的工作原理類似於原子級噴砂機，向大腦組織樣本發射一束鎵離子。這會從樣品表面腐蝕出幾納米厚的組織層。然後，掃描電子顯微鏡（sem）為新暴露的表面拍照。這樣做之後，鎵束會蝕刻掉另外幾納米，然後重複該過程，直到對整個樣品進行了研究。
所涉及的顯微鏡是專為Fly em製造的。他們坐在充滿空氣的墊子上，以最大程度地減少可能破壞圖像的振動，並且包含它們的房間位於自己的混凝土板上，以將其與實驗室的其餘部分分開。此外，儘管常規sem通常最多一次運行數小時，但Fly em機器設計為連續運行數月。
結果是將數百萬個高分辨率圖像縫合在一起，以創建果蠅半腦的3d表示（請參見嗅覺途徑的上方圖像）。下一步是標記其中的神經元和突觸。該項目經理斯蒂芬·廣場（Stephen Plaza）說，按照秀麗隱杆線蟲的方式手動進行此操作需要花費幾個世紀的時間。顯然，這不是一個入門者。因此，他向Google尋求幫助。
近年來，計算機視覺已得到極大改善，通常用於掃描數百小時的閉路電視或衛星圖像，以識別當局感興趣的物體。現代人工智能（ai）算法在圖像分類方面的表現優於人們，並且在2015年至2018年之間，在對象分割方面的性能翻了一番，這是一項棘手的任務，涉及從單個圖像中選擇多個對象。按照Janelia的要求，Google訓練了一種ai算法來識別Fly em圖像中的神經元和突觸。當該算法滾動瀏覽圖片時，它還嘗試跟蹤將一個神經元連接到另一個神經元的稱為樹突和軸突的纖維突起。
首先，研究人員在人類專家已經標記過的圖片上訓練了ai。當它經過進一步的圖像攪動時，人類校對人員檢查了它的決定並將錯誤反饋給它，以便它可以增進其對神經元在不同情況下的外觀的理解。隨著ai的改進，手動工作量減少了，正確註釋圖像的速度也大大提高了。在ai的幫助下，Plaza博士和他的50個校對團隊將註釋所需的時間從幾個世紀縮短到了幾年。
為全人類
本週發佈的Fly em數據可供所有專業或業餘神經科學家使用，只要他們認為合適即可。擁有互聯網連接的任何人都可以查找相互連接的神經元列表，並查看3d圖表，以瞭解這些細胞及其無數的樹突狀和軸突分支的外觀。
在Janelia，幾個小組已經在挖掘這些數據以收集見解。例如，維維克·賈亞拉曼（Vivek Jayaraman）的團隊研究了果蠅的大腦如何幫助昆蟲首先了解其在空間中的方向，然後利用這些信息來幫助其導航。到目前為止，賈亞拉曼（Jayaaraman）博士一直在研究大腦的哪些部分可能會相互交談的理論模型。偏腦圖向他顯示了所涉及的神經元之間的實際物理聯繫。他，魯賓博士和Janelia的其他研究人員將在未來幾個月內發表他們的見解。
擺臂完成後，Fly em的研究人員期望在接下來的兩年內完成果蠅連接體的其餘部分，從而獲得對果蠅神經病學的進一步見解。但是該項目的其他後果也至關重要。通過它實現的自動化和機器學習方面的進步將與生物學見解一樣有價值。而且，隨著技術的進步，連接組的重建將更快地進行，從而可以繪製更大數量的大腦。
將來，目標是為多種小鼠品系，甚至最終為多個人獲得連接體。觀察典型和非典型大腦之間的接線差異，可能會發現精神分裂症和自閉症等疾病。查看人腦與其他物種的大腦之間的差異，可能會有助於解釋究竟是什麼使人在神經學上與眾不同。
魯賓博士估計，組裝鼠標連接器的成本約為5億美元（完成後的Fly em成本的十倍以上）。他相信這樣的項目可以在十年內啟動。人腦連接套將更加困難幾個數量級。但他認為，這不可能。1990年，在人類基因組計劃開始之初，他回憶起許多科學家認為對動物基因組進行測序總是過於昂貴和困難。那些批評者說生物學家應該在老鼠和人類之間做出選擇，因為這不可能同時做到。他指出：“現在，我們有一些項目將要完成10,000個人類基因組序列。
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